Unidade I - Fisiologia Vegetal

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Unidade I - Fisiologia Vegetal
UNIDADE I: CÉLULAS VEGETAIS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Introdução
A vida vegetal: princípios unificadores
Uma visão geral da estrutura vegetal
Organelas da célula vegetal
O sistema de endomembranas
Organelas de divisão independente, derivadas do
sistema de endomembranas
7. Organelas semiautônomas de divisão independente
8. O citoesqueleto vegetal
9. Regulação do ciclo celular
10.Plasmodesmas
Introdução
A fisiologia vegetal é o estudo dos processos
vegetais, como as plantas funcionam à medida que
interagem com seus ambientes físicos (abióticos) e vivos
(bióticos).
Embora esta disciplina enfatize as funções
fisiológicas e bioquímicas dos vegetais, é importante
compreender que todas estas funções dependem de suas
estruturas.
Em qualquer nível, a estrutura e a função
representam diferentes planos de referência de uma
unidade biológica.
1
A vida vegetal: princípios unificadores
Existem cerca de 700 espécies de gimnospermas e
250.000 de angiospermas, as quais têm uma grande
diversidade de forma, tamanho, ciclo de vida e habitat.
Tamanho:
Sequoia sempervirens (conífera) e Eucalyptus jacksonii
(angiosperma) com 15-20 metros de diâmetro e 100115 metros de altura;
Família Lemnaceae (monocotiledônea) têm tamanho
entre 1-3 milimetros.
Ciclo de vida:
Pinus longaeva (conífera) com 4.900 anos e Larrea
divaricata (angiosperma) com 12.000 anos, que ainda
estão vivas;
Arabidopsis thaliana (dicotiledônea) com ciclo de 4
semanas.
Habitat:
Regiões áridas ou semiáridas: mandacarú, xiquexique
e macambira encontrados na caatinga nordestina,
cactus “saguaro” e o arbusto Larrea divaricata do
deserto de sonora;
Plantas aquáticas: aguapé e a Victoria regia.
2
Todas os vegetais, independentemente das suas
adaptações específicas, executam processos similares e
estão pautados no mesmo plano arquitetural, que são
comuns a todas elas:
1. As plantas verdes, como produtoras primárias, são
coletoras de energia solar;
2. Apesar de imóveis, crescem à procura de luz, água
e sais minerais;
3. As plantas terrestres são estruturalmente
reforçadas para suportar a sua massa, visto que
crescem contra a força da gravidade, à procura de
luz;
4. Como perdem água continuamente pela
transpiração, elas desenvolveram mecanismos que
evitam a dessecação dos tecidos;
5. Possuem mecanismos que garantem o transporte
de água e sais minerais para os tecidos
fotossintetizantes e o transporte de fotoassimilados
para os locais onde não ocorre a fotossíntese ou
esta é insuficiente para o funcionamento do tecido
em questão.
3
Uma visão geral da
estrutura vegetal
Apesar de sua
aparente
diversidade, o corpo
de todas as
espermatófitas
(gimnospermas e
angiospermas)
apresenta o mesmo
plano básico.
As células vegetais são delimitadas por paredes
celulares rígidas.
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As novas células são produzidas por tecidos em
divisão celular denominados meristemas
Meristemas primários - são formados durante a
embriogênese:
Meristema apical do caule (MAC) - crescimento em
extensão (crescimento primário);
Meristema apical da raiz (MAR) – crescimento em
extensão (crescimento primário).
Meristemas secundários - são formados após a
germinação (desenvolvimento pós-embrionário):
Meristemas axilares (crescimento primário);
crescimento em extensão
Meristemas de raízes laterais (periciclo) crescimento em extensão (crescimento primário);
Meristemas intercalares - crescimento em extensão
(crescimento primário);
Câmbio vascular (meristema lateral) - crescimento
em diâmetro (crescimento secundário);
Felogênio (meristema lateral) - crescimento em
diâmetro (crescimento secundário).
5
Sistema Dérmico
(Revestimento ou
Proteção)
O corpo da planta
é formado por
três sistemas de
tecidos principais
Sistema
Fundamental
(Sustentação)
Epiderme
(Primário)
Periderme
(Secundário)
Parênquima
Colênquima
Esclerênquima
Xilema
Sistema Vascular
(Condução)
Floema
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SUMÁRIO DOS TECIDOS E TIPOS DE CÉLULAS
TECIDOS
TIPOS CELULARES
EPIDERME
-Células parenquimatosas em geral (incluindo
células guarda, acúleos, tricomas, pelos
absorventes, etc.)
-Células esclerenquimatosas
PERIDERME
-Células parenquimatosas em geral
-Células esclerenquimatosas
PARÊNQUIMA
- Células parenquimatosas (metabolicamente
ativas com parede primária fina, presente em
todos os órgãos da planta)
7
TECIDOS
TIPOS CELULARES
COLÊNQUIMA
- Células colenquimatosas (células vivas,
alongadas e extensíveis com parede primária
espessa funcionam como suporte estrutural em
plantas em crescimento)
ESCLERÊNQUIMA
- Células esclerenquimatosas, fibras e
esclereídeos (com parede secundária espessa e
são mortas na maturidade atuam como suporte
mecânico, armazenamento e proteção)
XILEMA
- Elementos dos vasos
- Traqueídes
- Células parenquimatosas e fibras
FLOEMA
- Elementos do tubo crivado ou células crivadas
- Células companheiras ou albuminosas
- Células parenquimatosas e fibras
Organelas da célula vegetal
8
As organelas estão distribuídas em três categorias
principais, com base no modo pelo qual elas se originam:
1. O sistema de endomembranas: o retículo endoplasmático,
o envoltório nuclear, o complexo de Golgi, o vacúolo, os
endossomos e a membrana plasmática.
O sistema de endomembranas apresenta função central
nos processos de secreção, de reciclagem de membranas e
no ciclo celular.
A membrana plasmática regula o transporte para dentro
e para fora da célula.
Os endossomos originam-se de vesículas derivadas da
membrana plasmática e atuam no processamento ou na
reciclagem dos conteúdos dessas vesículas.
2. Organelas de divisão independente, derivadas do
sistema de endomembranas:
Os oleossomos, os peroxissomos e os glioxissomos,
os quais atuam na reserva de lipídios e no metabolismo
do carbono.
3. Organelas semiautônomas de divisão independente:
Plastídios e mitocôndrias, que atuam no
metabolismo energético e na reserva.
Como essas organelas são compartimentos
membranosos, será feita a descrição da estrutura e da
função da membrana.
9
PROTOPLASTO
O protoplasto define o conteúdo celular, sendo
formado pela membrana plasmática, citoplasma,
núcleo e vacúolo.
O citoplasma é formado pelo citosol e organelas
sendo delimitado pela membrana plasmática.
O citosol é a porção coloidal hidrofílica onde
ocorrem vários processo celulares importantes (como
a via glicolítica, via da pentose fosfato, síntese de
sacarose e síntese de proteínas).
As membranas biológicas são bicamadas de
fosfolipídios que contêm proteínas
A membrana plasmática e as membranas das
organelas, mantêm as diferenças eletroquímicas
essenciais entre o citosol e o meio externo e, entre o
citosol e o interior de cada organela.
De acordo com o modelo do mosaico fluido
todas as membranas biológicas tem a mesma
organização molecular básica, consistindo de uma
bicamada de fosfolipídios (no caso dos plastídios,
glicosilglicerídios) contendo proteínas embebidas.
10
As membranas
biológicas, que tem
permeabilidade
diferencial, são
bicamadas de
fosfolipídios que
contêm proteínas
embebidas
(integrais,
periféricas e
ancoradas).
(8 nm)
(63,8%)
(2,7%)
(13,6%)
Triterpenos (19,9%)
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O sistema de endomembranas é o conjunto de membranas internas (O
envelope nuclear, o retículo endoplasmático, o complexo de Golgi, o vacúolo, os
endossomos e a membrana plasmática) que dividem as células em
compartimentos funcionais e estruturais e distribuem membranas e proteínas
pelo tráfego vesicular entre as organelas.
O núcleo contém a maior parte do material genético
responsável pela regulação do metabolismo, do
crescimento e da diferenciação da célula.
12
• 120 proteínas diferentes (Nucleoporinas) – 124 MDa;
• Forma octogonal com oito canais periféricos aquosos com diâmetro de 9 nm;
13
Compactação do DNA em um cromossomo metafásico
Etapas básicas da
expressão gênica,
incluindo
transcrição,
processamento,
exportação para o
citoplasma e
tradução.
14
O retículo endoplasmático é uma rede de
endomembranas
15
A secreção de proteínas pelas células inicia-se no
retículo endoplasmático rugoso
As glicoproteínas e os polissacarídios destinados para
secreção são processados no complexo de Golgi.
FIGURA 1.11 Micrografia ao microscópio eletrônico de um complexo de Golgi de
células da coifa da raiz de tabaco (Nicotiana tabacum). As cisternas cis, mediana e
trans estão indicadas. A rede trans do Golgi está associada com as cisternas trans
(60.000X) (de Gunning e Steer, 1996).
16
A membrana plasmática possui regiões especializadas
envolvidas na reciclagem de membrana.
17
Os vacúolos apresentam diversas funções nas células
vegetais
• Armazenamento – Além de íons, açúcares,
polissacarídios, pigmentos, aminoácidos e ácidos
orgânicos,
as
plantas
armazenam
proteínas,
especialmente nas sementes;
• pH e Homeostase iônica – Grandes vacúolos são
utilizados como depósitos de prótons e íons
metabolicamente importantes, tal como o cálcio.
Vacúolos de plantas têm pH entre 5,0 e 5,5.
Controlando a liberação de H+ e de outros íons no
citosol, as células regulam o pH do citosol, a atividade
enzimática, a organização do citoesqueleto e a fusão de
membranas;
Fotomicrografia de um protoplasto preparado a
partir da camada de aleurona de sementes. O
corante fluorescente revela dois tipos de vacúolos:
os maiores, vacúolos de reserva protéica (V1) e os
menores, vacúolos líticos (V2).
18
• Digestão – Contém os mesmos tipos de hidrolases
ácidas encontradas nos lisossomos de animais. Estas
enzimas (proteases, nucleases, glicosidases e lipases)
juntas degradam e reciclam quase todos
componentes celulares;
• Sequestro de compostos tóxicos – Como as plantas
não podem escapar de locais tóxicos, nem eliminam
com eficiência esse material tóxico por excreção, elas
sequestram estes compostos nos vacúolos;
• Pigmentação – Vacúolos que contém antocianinas
são encontrados em várias células da planta. Flores e
frutos pigmentados servem para atrair agentes
polinizadores e dispersadores de sementes.
• Defesa contra patógenos e herbívoros – Células de
plantas acumulam certos compostos que servem para
evitar a alimentação de herbívoros e a infecção de
microrganismos patogênicos, estes compostos são:
Compostos
fenólicos,
alcaloides,
glicosídios
cianogênicos e inibidores de proteases que servem
para desencorajar insetos e animais herbívoros;
Enzimas que degradam a parede celular (tais como
quitinases e glucanases) e substâncias de defesa (tais
como as saponinas) que destroem fungos e bactérias
patogênicos;
Látex, uma emulsão de polímero hidrofóbico, que
fecha ferimentos e que possui propriedades inseticida
e fungicida e que também age como anti-herbívoro.
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Organelas de divisão independente, derivadas
do sistema de endomembranas
• Os oleossomos (esferossomos ou corpos lipídicos)
são organelas de reserva de lipídios.
Os microcorpos possuem funções metabólicas
especializadas em folhas e sementes
• Os peroxissomos (folhas de plantas C3) e os glioxissomos
(sementes oleaginosas) são microcorpos especializados na βoxidação de ácidos graxos e no metabolismo do glioxilato, um
aldeído ácido de dois carbonos.
• Tem alta densidade 1,23 g/cm3 com diâmetro de 0,2 a 1,7 µm.
Possuem mais de 50 enzimas diferentes. A enzima catalase,
presente em todos, serve como marcadora de microcorpos.
RH2 + O2 → R + H2O2
(R: representa o substrato orgânico)
2 H2 O2
catalase
2 H2 O + O2
(H2O2 é tóxico e deve ser degradado)
20
Organelas semiautônomas de divisão
independente
Uma célula vegetal típica apresenta dois tipos
de organelas produtoras de energia: As mitocôndrias
e os cloroplastos. Envolvidas por uma dupla
membrana e contêm seus próprios DNA e ribossomos.
A divisão de cloroplastos e mitocôndrias é
independente da divisão nuclear.
A membrana externa tem um volume de
exclusão (Ve) de 10.000 daltons.
21
As mitocôndrias são os locais da respiração
celular. São estruturas altamente dinâmicas,
passíveis de sofrer tanto fissão quanto fusão.
Os cloroplastos
pertencem a um outro
grupo de organelas
envolvidas por dupla
membrana,
denominadas de
plastídios.
As membranas do
cloroplasto são ricas
em glicosilglicerídios,
contêm clorofila e
suas moléculas
associadas e
constituem o local da
fotossíntese.
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Proplastídios desenvolvem-se em plastídios
especializados em diferentes tecidos vegetais.
Tipos de plastídios
• Proplastídios – São pequenos corpos vesiculares
produzidos nas células meristemáticas. Originam os
plastídios;
• Amiloplastos – Encontrados em órgãos de reserva,
estatócitos e bainha de amido, incolores, estão
envolvidos na síntese e acúmulo de amido;
• Leucoplastos – Encontrados em folhas e caules
verdes, incolores, estão envolvidos na síntese de
monoterpenos (compostos voláteis encontrados nos
óleos essenciais) e lipídios;
23
• Cromoplastos – Sintetizam carotenoides. As cores
características de frutos de tomate e laranja, raízes
de cenoura e batata-doce e de flores de mal–me–quer
e botão-de-ouro são devidas à presença de
cromoplastos;
• Estioplastos - São formados quando a planta está na
obscuridade, só ocorre síntese de lipídios de
membrana (corpo pró-lamelar) e protoclorofilídio.
• Cloroplastos - São os mais proeminentes dos
plastídios, realizam a fotossíntese e contêm os
pigmentos fotossintéticos responsáveis pela coloração
verde das plantas;
Eletromicrografia de um cromoplasto de tomate no estádio inicial de
transição entre um cloroplasto e um cromoplasto. Pequenas pilhas
de grana ainda podem ser observadas. Os cristais do carotenoide
licopeno estão indicados por estrelas (Gunning & Steer, 1996).
24
Eletromicografias ilustrando vários estádios de desenvolvimento de
plastídios. (A) Proplastídio do meristema apical da raiz de fava
(Vicia faba); (B) Estádio inicial de diferenciação na luz de um
plastídio de uma célula do mesofilo de folha de aveia (Avena sativa)
mostrando o desenvolvimento dos tilacoides. (C) Desenvolvimento
de um proplastídio em estioplasto em uma célula de folha jovem de
aveia crescida no escuro, mostrando a formação dos corpos prólamelares.
CITOESQUELETO VEGETAL
O citosol de células eucarióticas é organizado
por uma rede tridimensional de filamentos proteicos,
o citoesqueleto, que proporciona uma organização
espacial para as organelas e serve como arcabouço
para os movimentos das organelas e de outros
componentes do citoesqueleto.
O citoesqueleto também apresenta papéis
fundamentais nos processos de mitose, meiose,
citocinese, depósito da parede celular, manutenção
da forma celular e diferenciação celular.
O citoesqueleto vegetal
microtúbulos e microfilamentos.
é
formado
por
25
Microtúbulos
estão
envolvidos
na
organização
espacial e
orientação
de
estruturas
Microfilamentos
estão envolvidos
no movimento
de estruturas e
da corrente
citoplamática
(juntamente com
as proteínas
motoras
miosina, dineína
e cinesina)
Os microtúbulos
e os
microfilamentos
podem ser
polimerizados e
despolimerizados.
26
O transporte de
organelas,
mediado por
motores de
miosina, ao longo
de microfilamentos
de actina é a base
da corrente
citoplasmática.
A regulação do ciclo celular
Coletivamente, as fases
G1, S e G2 são referidas
como interfase.
Em células vacuoladas, o
vacúolo aumenta durante
a interfase e o plano de
divisão celular divide o
vacúolo à metade durante
a mitose.
27
Cada fase do ciclo celular apresenta um conjunto
específico de atividades bioquímicas e celulares
O DNA nuclear é preparado para a replicação em
G1 pela montagem de um complexo pré-replicação nas
origens de replicação ao longo da cromatina.
O DNA é replicado durante a fase S e as células em
G2 preparam-se para a mitose.
A distribuição do complexo de Golgi e de outras
organelas ocorre igualmente entre as duas metades da
célula.
A arquitetura da célula é alterada à medida
que ela entra em mitose, ocorrendo:
• Desintegração do envelope nuclear e dos nucléolos;
• Os cromossomos alteram seu estado de organização no
núcleo e iniciam a condensação para formar os
cromossomos metafásicos;
• Formação do fuso mitótico;
• Ligação dos cromossomos replicados às fibras do fuso.
28
O ciclo celular é regulado por ciclinas e por
cinases dependentes de ciclina (Cdk).
Três ciclinas (A, B e D) estão envolvidas na
regulação do ciclo celular de tabaco:
1. Ciclinas G1/S:ciclina D, ativa no final da fase G1;
2. Ciclinas S/ciclina A, ativa no final da fase S;
3. Ciclinas M:ciclina B, ativa imediatamente antes da
mitose.
A atividade da Cdk pode ser regulada por:
1. Síntese e degradação da ciclina;
2. Fosforilação e desfosforilação dos resíduos de
aminoácidos-chave na proteína Cdk.
29
Os microtúbulos e o
sistema de
endomembranas atuam
na mitose (processo
pelo qual os
cromossomos
replicados são
alinhados, separados e
distribuídos
ordenadamente nas
células-filhas) e na
citocinese (processo que
estabelece a placa
celular, precursora da
nova parede celular).
Alterações na organização do fragmoplasto (um
complexo de microtúbulos) e do retículo
endoplasmático durante a formação da placa celular
30
Os plasmodesmas (primário e secundário) são extensões
tubulares da membrana plasmática que atravessam a
parede celular conectando os citoplasmas de células
adjacentes.
Diâmetro: 40 a 50 nm;
Limite de massa molecular: 700 a 1.000 daltons;
Equivale a um tamanho molecular de 1,5 a 2,0 nm
31
Simplasto e apoplasto
A conexão de células vizinhas através dos
plasmodesmas, cria uma rede contínua de citoplasmas
em toda a planta, conhecida como simplasto.
De maneira similar, estas células produzem uma
rede de espaços extracelulares, conhecida como
apoplasto.
O apoplasto compreende o espaço formado pelas
paredes de células interconectadas, pelos espaços
intercelulares e pelos tecidos vasculares não vivos.
Os conceitos de simplasto e apoplasto são
importantes no estudo do transporte de água e de
solutos e na sinalização do desenvolvimento na planta.
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